Projektowanie trenażerów komputerowych dla operatorów
Transkrypt
Projektowanie trenażerów komputerowych dla operatorów
Projektowanie trenażerów komputerowych dla operatorów urządzeń mobilnych dr inż. MAREK KACPRZAK1, dr inż. ANDRZEJ KACZMARCZYK1, prof. dr hab. inż. ANDRZEJ MASŁOWSKI1,2 2 1 Instytut Maszyn Matematycznych Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Automatyki i Robotyki Trenażery wykorzystujące symulację komputerową, zwane też symulatorami, użytkowane do szkolenia operatorów urządzeń w wielu dziedzinach rozpowszechniły się w latach 90. Zastąpiły one stosowane już dawniej trenażery wykorzystujące inne techniki symulacyjne, takie jak film czy telewizja. Istnieje duża różnorodność trenażerów komputerowych ze względu na poziom ich zaawansowania. Najwyższą pozycję zajmują trenażery stosowane do szkolenia pilotów [1], maszynistów kolejowych [2] i kierowców [3] (głównie pojazdów specjalnych) przedstawiające sobą kokpit danego pojazdu, z rzeczywistym wyposażeniem i komputerowym obrazem otoczenia widocznym w wirtualnym oknie, poruszany przez siłowniki zgodnie z wykonywanymi przez szkolonego manewrami pojazdu i jego zasymulowaną dynamiką; koszty takiego trenażera są wysokie, np. koszt trenażera lotniczego, wynosi ok. 25 mln. dolarów. Na najniższym poziomie znajdują się trenażery budowane na bazie typowych komputerów osobistych, zwane dalej trenażerami PC-towymi, tworzone przez zainstalowanie odpowiedniego oprogramowania i dołączenie do nich prostych urządzeń sterowniczych tego rodzaju, jak stosowane w grach komputerowych. Przykładem może być program Microsoft Flight Simulator X [4] umożliwiający „wirtualne latanie”, którego koszt wynosi około 30 dolarów. Dokupienie za około 250 dolarów akcesoriów w postaci wolantu, pedałów i manetki przepustnic silników umożliwia utworzenie trenażera używanego nie tylko do rozrywki, ale także do prawdziwego szkolenia przyszłych pilotów. Trenażery PC-towe, na poziomie gry komputerowej lub bardziej zaawansowane dzięki zastosowaniu rzeczywistych (lub zbliżonych do rzeczywistych) urządzeń sterowniczych, są używane w wielu dziedzinach. W kolejnictwie europejskim stanowią 9% trenażerów do szkolenia maszynistów [2], są używane w klasach elektronicznych szkół nauki jazdy [5,6], a także są oferowane przez liczne firmy do szkolenia operatorów maszyn roboczych [7-9]. Ceny tych nie hobbystycznych trenażerów PC-towych są wyższe niż w przypadku „wirtualnego latania” i np. dla maszyn roboczych wynoszą od kilku do kilkunastu tysięcy dolarów - dolna granica odnosi się do trenażerów z akcesoriami (dżojstikami) z gier komputerowych, górna do trenażerów ze specjalnym wyposażeniem stanowiska operatora (łącznie z fotelem). W pracy omawiane są trenażery PC-towe służące do treningu operatorów urządzeń mobilnych takich jak roboty i maszyny robocze. Opisano zasady użycia trenażerów do inteligentnego treningu, to jest dostosowanego do indywidualnych umiejętności szkolonych, przedstawiono sposób projektowania i tworzenia oprogramowania trenażerów przy użyciu specjalizowanych platform informatycznych, podano przykład implementacji takiej platformy. 110 Trening przy użyciu trenażerów różnych poziomów Zalety prowadzenia szkoleń operatorów urządzeń przy użyciu trenażerów komputerowych są następujące: • szkolenia nie muszą odbywać się na urządzeniu kosztownym lub takim, do którego dostęp jest ograniczony, • możliwe jest ćwiczenie zachowań w sytuacjach stwarzających zagrożenie dla operatora, a także takich, które w przypadku korzystania z rzeczywistych urządzeń mogłyby prowadzić do ich uszkodzenia, czy nawet zniszczenia, • działania sprawiające szkolonym trudność mogą być wielokrotnie powtarzane, aż do uzyskania wymaganego poziomu umiejętności operacyjnych, • istnieje możliwość prowadzenia szkoleń na skalę masową, • możliwe jest istotne zmniejszenie kosztów szkolenia. Obniżkę kosztów szkolenia umożliwia stosowanie treningu wielopoziomowego, z użyciem trenażerów o różnym stopniu perfekcji, przy czym mniej perfekcyjne i tańsze trenażery będą stosowane w początkowych etapach szkolenia. Metodykę treningu wielopoziomowego operatorów robotów inspekcyjnointerwencyjnych znajdujących zastosowanie do wspomagania działań antyterrorystycznych, militarnych i ratownictwa, w systemach ochrony nadzorowanych obszarów i granic lądowych i morskich, a także do ochrony infrastruktury krytycznej przedstawiono w [10]. Szkolenie jest organizowane przy użyciu trenażerów trzech różnych poziomów: • Trenażery poziomu 1 - zrealizowane za pomocą typowych komputerów PC. Stosowane są techniki rzeczywistości wirtualnej (ang. virtual reality). Symulowane jest urządzenie mobilne, jego otoczenie oraz pulpit sterowniczy urządzenia. • Trenażery poziomu 2 - zrealizowane za pomocą komputerów PC, do których dołączone są rzeczywiste pulpity sterownicze urządzeń. Stosowane są techniki rzeczywistości wirtualnej. Symulowane jest urządzenie mobilne i jego otoczenie. • Trenażery poziomu 3 - trenażery poziomu 1 lub 2 z zastosowaniem rzeczywistości rozszerzonej (ang. augmented reality) - rzeczywiste urządzenie w rzeczywistym otoczeniu z elementami symulowanymi. Osoba szkolona używa specjalnego hełmu. W przypadku stosowania trenażerów poziomów 1 i 2 możliwe jest organizowanie e-treningu, techniki stanowiącej rozszerzenie e-learningu (e-learning jest ukierunkowany na zdobywanie wiedzy, a e-trening na nabywanie umiejętności operacyjnych). Przy wykorzystaniu Internetu możliwa jest obsługa dużej liczby szkolonych rozproszonych geograficznie, korzystanie przez nich z kursów dostępnych 24 godziny na dobę i dostosowanie tempa szkolenia do indywidualnych ELEKTRONIKA 12/2009 możliwości szkolonych. Stosowane do e-treningu trenażery poziomu 2 powinny być wyposażone w uproszczone pulpity sterownicze, np. typowe konsole używane do gier komputerowych. Opis e-treningu dla operatorów pojazdów i urządzeń jest podany w pracy [11]. Inteligentny trening operatorów Trenażery komputerowe wszystkich trzech poziomów umożliwiają prowadzenie treningu, w którym proces nabywania i doskonalenia zdolności operacyjnych jest dostosowany do indywidualnych umiejętności szkolonych - to jest inteligentnego treningu. Koncepcję inteligentnego treningu określają następujące zasady: 1. Doskonalenie umiejętności operacyjnych osób szkolonych na trenażerze odbywa się przez indywidualny program szkolenia polegający na wykonywaniu programów treningu. 2. Każdy program treningu jest sekwencją zadań szkoleniowych. W trakcie wykonywania zadań szkoleniowych gromadzona jest wiedza o umiejętnościach szkolonych. 3. Dobór kolejnego zadania szkoleniowego do wykonania następuje na podstawie oceny umiejętności szkolonego. Podstawą inteligentnego treningu są zadania szkoleniowe. Szkolony przy użyciu trenażera przyszły operator urządzenia mobilnego, korzystając z wirtualnego lub rzeczywistego pulpitu sterowniczego urządzenia, steruje działaniami urządzenia mobilnego w środowisku wykonując postawione mu zadanie szkoleniowe. Przykładowe zadania to: wykrywanie obiektów wewnątrz pomieszczeń zamkniętych (np. w sali odlotów na lotnisku) przez mobilnego robota inspekcyjnego lub praca koparki w terenie. Definiowanie zadań szkoleniowych jest wykonywane przez wyspecjalizowaną osobę zwaną menedżerem treści szkolenia. Opis zadania szkoleniowego obejmuje: • opis środowiska pracy urządzenia mobilnego, • początkowe położenie i orientację urządzenia w środowisku, • misję do wykonania przez szkolonego, • czas na wykonanie misji, • zdarzenia powodowane przez szkolonego, które będą traktowane jako błędy, • ocenę punktową zdarzeń powodowanych przez szkolonego, • wymaganą reakcję trenażera na działania szkolonego. Precyzyjna definicja tak skomplikowanego zadania szkoleniowego wymaga korzystania przez menedżera ze specjalizowanego oprogramowania: Generatora Środowisk i Generatora Zadań Szkoleniowych. W wyniku działań menedżera powstają pliki opisujące dane środowisko i zadanie. Model urządzenia mobilnego W celu utworzenia oprogramowania trenażera umożliwiającego trening szkolonego w zakresie realizacji konkretnego zadania konieczne jest połączenie plików opisujących środowisko i zadanie z plikami tworzącymi model urządzenia mobilnego [12]. Osobą odpowiedzialną za utworzenie tego modelu jest projektant modelu urządzenia. Model urządzenia może być utworzony w różny sposób. Jeżeli projektanci urządzenia mobilnego korzystają z zaawansowanych programów do projektowania wspomaganego komputerem, to proELEKTRONIKA 12/2009 gramy te umożliwiają utworzenie modelu urządzenia i wyeksportowanie go w postaci zgodnej z przyjętymi standardami. Model ten może być następnie modyfikowany przez specjalizowany Program Modyfikujący Modele Urządzeń. Innym możliwym rozwiązaniem jest tworzenie modelu urządzenia metodą budowania go ze standardowych części składowych, łączonych następnie odpowiednimi więzami w jedną całość. Jest to rozwiązanie trudniejsze i bardziej pracochłonne, a utworzony w ten sposób model musi być poddany procedurze walidacji - badania zgodności modelu urządzenia z rzeczywistym urządzeniem. Do budowy modeli w ten sposób służy specjalizowany program Generator Modeli Urządzeń. Model urządzenia składa się z trzech podstawowych części składowych: modelu fizycznego, modelu geometrycznego i modelu dźwiękowego. Zależnie od rodzaju urządzenia, model ten może także dodatkowo zawierać modele czujników i urządzeń wykonawczych. Jeżeli trenażer nie wykorzystuje rzeczywistego pulpitu sterowniczego urządzenia, to model urządzenia musi zawierać także model wirtualnego pulpitu sterowniczego. Model ten tworzy projektant modelu urządzenia przy użyciu specjalizowanego programu Generatora Pulpitów Wirtualnych. Jeżeli w trenażerze jest stosowany rzeczywisty pulpit sterowniczy, to model urządzenia musi zawierać moduł komunikacyjny zapewniający dwustronne przesyłanie danych między modelem urządzenia i rzeczywistym pulpitem sterowniczym. Projektant modelu urządzenia dokonuje integracji plików opisujących model urządzenia z utworzonymi przez menedżera treści szkolenia plikami opisującymi środowisko i zadanie. Wynikiem integracji jest program, który po zainstalowaniu na sprzęcie trenażera, działając pod kontrolą Egzekutora Programów Treningu, umożliwia realizację zadania szkoleniowego w formie gry komputerowej. Po uruchomieniu tego programu szkolony informowany jest o szczegółach misji do wykonania. Następnie szkolony korzystając (w zależności od klasy trenażera) z pulpitu wirtualnego lub rzeczywistego, powoduje działania urządzenia mobilnego w środowisku. Wszystkie istotne zdarzenia są rejestrowane i oceniane. Po zakończeniu programu szkolony otrzymuje informację o ocenie realizacji zadania, a do bazy danych związanych z jego szkoleniem zostaje zapisany raport z realizacji zadania i ocena punktowa. Zadania szkoleniowe są połączone między sobą tworząc programy treningu. Połączenia zadań mają charakter dynamiczny: wybór następnego zadania (lub decyzja o zakończeniu treningu) zależą od oceny poziomu umiejętności osiągniętego przez szkolonego. Programy treningu są tworzone przez menedżera treści szkolenia przy użyciu specjalizowanego oprogramowania - Generatora Programów Treningu. Platformy informatyczne do projektowania i tworzenia oprogramowania trenażerów Zaprojektowanie i utworzenie oprogramowania trenażerów wymaga stosowania zaawansowanych, różnorodnych narzędzi informatycznych. Jest więc celowe budowanie platform informatycznych przeznaczonych do tych celów, stanowiących zestaw niezbędnych narzędzi programistycznych, z których korzystają projektanci modeli urządzeń i menedżerowie treści szkolenia. Ważnym problemem wymagającym rozstrzygnięcia jest określenie sprzętu kompu- 111 terowego wchodzącego w skład platformy, jak i samych trenażerów. Punktem wyjścia do analizy jest ocena wymagań stawianych trenażerom. Trenażery muszą umożliwiać wykonywanie programów treningu w trybie interakcyjnym, w czasie rzeczywistym, z wizualizacją trójwymiarową działań użytkownika w czasie nie dłuższym niż 100 ms. Jest to ostre wymaganie - biorąc pod uwagę, że typowy błąd operatora polegający np. na uderzeniu urządzenia mobilnego w przeszkodę oznacza konieczność wykonania następujących działań: wykrycia kolizji, obliczenia skutków kolizji dla urządzenia i przeszkody, zobrazowanie (rendering) wyników na ekranie monitora. Z dotychczasowych doświadczeń Autorów wynika, że moc obliczeniowa współczesnych komputerów klasy PC, wyposażonych w szybkie procesory wielordzeniowe, a dodatkowo umożliwiających korzystanie z mocy obliczeniowej wielordzeniowych procesorów w kartach graficznych jest wystarczająca, aby ten warunek czasowy był spełniony. Trenażery mogą być więc budowane na bazie komputerów PC, ale z odpowiednio wydajną kartą graficzną. Komputery PC takiej klasy mogą być także sprzętem wykorzystywanym do budowy platform, choć zastosowanie specjalizowanych stacji graficznych może być również celowe. Wobec platform informatycznych można sformułować następujące ogólne wymagania: 1. rozproszona architektura sprzętowa (połączenie komputerów-węzłów w szybką lokalną sieć komputerową), 2. modularna struktura oprogramowania, 3. maksymalne wykorzystanie istniejącego oprogramowania systemowego i narzędziowego, 4. zgodność formatów eksportu i importu modułów oprogramowania, 5. możliwość stałej rozbudowy platformy. Architekturę typowej platformy pokazano na rysunku. Architektura platformy informatycznej Architecture of computer platform 112 Przykład platformy Przykładem implementacji platformy jest prototyp opracowany przez Instytut Maszyn Matematycznych, wspólnie z Przemysłowym Instytutem Automatyki i Pomiarów, w ramach projektu badawczego rozwojowego OR00004604. Celem projektu jest zbudowanie platformy informatycznej umożliwiającej projektowanie i realizację trenażerów przeznaczonych do szkolenia w obsłudze różnego typu robotów mobilnych znajdujących zastosowanie w wojsku i policji oraz do wykonywania zadań inspekcyjnych komunalnych i przemysłowych. Oprogramowanie systemowe platformy tworzą: • standardowe systemy operacyjne (Windows, Unix), • zintegrowane środowiska programistyczne (np. MS Visual Studio), • technologia komunikacyjna CORBA, • biblioteki graficzne (np. Open GL, GLUT), • biblioteka obliczeń numerycznych (np. NVIDIA CUDA), • narzędzia do standardu XML, • pakiety do języka UML. W skład oprogramowania narzędziowego platformy wchodzą: • komercyjne pakiety modelowania i wizualizacji urządzeń i środowisk (takie jak np. Blender, 3DMAX, SolidWorks), • oprogramowanie wykonane specjalnie dla potrzeb platformy: Generator Modeli Urządzeń, Program Modyfikujący Modele Urządzeń, Generator Pulpitów Wirtualnych, Generator Środowisk, Generator Zadań Szkoleniowych, Generator Programów Treningu. Platforma ma stanowić podstawowe „urządzenie produkcyjne” przyszłego przedsiębiorstwa innowacyjnego wyspecjalizowanego w produkcji, dostawach i serwisie trenażerów komputerowych dla robotów mobilnych. Podsumowanie Szkolenie operatorów urządzeń mobilnych w pierwszych etapach szkolenia powinno być prowadzone na trenażerach komputerowych, a nie na rzeczywistych urządzeniach. Trenażery umożliwiają prowadzenie inteligentnego treningu wielopoziomowego, w tym także e-treningu, w sposób ekonomiczny i efektywny - dostosowany do indywidualnych umiejętności szkolonych. Projektowanie i tworzenie oprogramowania trenażerów wymaga stosowania specjalizowanych platform informatycznych zawierających oprogramowanie dostępne na rynku, ale także oprogramowanie wykonane specjalnie dla potrzeb platformy. Niezbędna jest także specyficzna organizacja prac, w której kluczową rolę odgrywają: menedżer treści szkolenia i projektant modeli urządzeń. Platformy umożliwią wytwarzanie szerokiej gamy trenażerów o różnym przeznaczeniu, dla różnych urządzeń i profili szkoleniowych, według indywidualnych zapotrzebowań odbiorców. Obszar tematyczny związany z projektowaniem i tworzeniem trenażerów ma charakter interdyscyplinarny, obejmujący: techniki modelowania i symulacji, grafikę komputerową, e-learning, gry komputerowe. Obszar ten jest źródłem wielu problemów badawczych, głównie z zakresu integracji modeli części składowych trenażerów i badania wpływu szczegółów implementacji trenażerów na ich wydajność i czas reakcji. ELEKTRONIKA 12/2009 Praca naukowa finansowana za środków na naukę w latach 2007-2010 jako projekt rozwojowy OR00004604: “Platforma do projektowania i tworzenia oprogramowania komputerowych trenażerów do robotów mobilnych inspekcyjno-interwencyjnych. Literatura [1] [2] [3] [4] Samolot Tornado. http://www.selexgalileo.com. 2TRAIN Benchmarking Report on computer-based Railway Training in Europe. http://www.2train.eu. Benchmarking and classification of CBT tools for driver training. Deliverable D1.1, October 2007. http://www.trainall-eu.org. Microsoft Flight Simulator X. http://www.microsoft.com/games/. ELEKTRONIKA 12/2009 [5] [6] ANWB Rijopleiding http://www.anwb.nl. Kappé B.: Driving simulators for driver training: state of the art. http://www.esafetyoffice.org. [7] Caterpillar. http://www.cat.com. [8] Vista Training. http://www.vista-start-smart.com. [9] Simlog, http://www.simlog.com/products.html. [10] Kaczmarczyk A. i in.: Wielopoziomowy trening symulacyjny w szkoleniu operatorów urządzeń. Zastosowanie do szkolenia operatorów robotów mobilnych. Elektronika nr 11/2009. [11] Kaczmarczyk A. i in.: Rozszerzenie e-learningu: e-trening operatorów pojazdów i urządzeń. Elektronika nr 12/2009. [12] Kacprzak M. i in. Tworzenie oprogramowania trenażerów operatorów robotów mobilnych. Techniki Komputerowe. Biuletyn Informacyjny Instytutu Maszyn Matematycznych 1/2008. 113